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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ZigBee无线数据传输模块的设计与实现吕 鑫,王 忠(四川大学 电气信息学院,四川 成都 610065)摘 要:利用ZigBee实现无线传输数据,介绍了ZigBee技术,提出一种基于ZigBee无线数据传输模块的设计方案,设计出无线模块的硬件系统和软件系统,实现了ZigBee模块与上位机的通信过程.实践证明,利用ZigBee技术传输数据具有功耗低、时延小、体积小、耗资少、安全性高、灵活性强等优点.关键词:短距离无线通信
2、;ZigBee;CC2430中图分类号:TN965.T 文献标识码:A 文章编号:1001-2443(2010)04-0332-04引 言 随着二十一世纪社会经济和现代科技的迅速发展,人们对能够随时随地提供信息服务的无线通信的需求越来越迫切.短距离无线通信技术作为成为无线通信技术领域的一个重要分支,在诸多无线数据传输中的应用已经越来越广泛.作为一种新兴的短距离无线通信技术,ZigBee技术以其显著的特点和广阔的市场前景,已经得到了人们越来越多的关注,成为当前国内外无线技术研究的热点.ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的双向无线通信技术,它工作于无需注册的2.4GHz国际
3、免费频段ISM(Industrial Scientific Medical Band).ZigBee的传输速率为10kbps-250kbps,传输距离为10-100m,具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点.主要适用于无线传感器网、自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能1.图1 硬件工作原理框图1 总体设计ZigBee无线数据传输模块的硬件设计框图如图1所示.为了实现无线数据传输模块的硬件基础架构,将硬件设计分为四部分:无线收发电路、电源电路、J TAG电路和串口转换电路.在这里,设计了串口转换电路,可以实现RS232串口数据转换.因此,可以实现无线模块
4、与PC机之间的串口数据通信.无线收发电路是本次硬件设计的核心,而J TAG电路主要实现对CC2430的编程和测试.2 硬件设计 本次设计的无线通信模块采用射频芯片CC2430.该款芯片以强大的集成开发环境为支持,内部线路的交互式调试遵从IDE的IAR环境.它是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统,它支持2.4GHz IEEE 802.15.4协议,结合一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发收稿日期:2009-09-05基金项目:国家自然科学基金项目(49901013);中国博士后基金项目(2005038615).作者简介:吕鑫(1983-),男,四
5、川成都人,硕士研究生,研究方向:信号与信息处理.第33卷4期2010年7月 安 徽 师 范 大 学 学 报(自然科学版)Journal of Anhui Normal University(Natural Science)Vol.33 No.4Jul.2 0 1 0 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器.CC2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器.它使用1个8位MCU(8051),
6、具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)以及21个可编程I/O引脚.本次设计的无线收发模块电路包括CC2430芯片及其相关外围电路,该芯片只需要配合少数的外围元器件就能实现信号的收发功能.为了实现节点模块与计算机的通信,设计了RS232电平转换电路,这里采用了电平转换芯片MAX232来实现串口连接.同时,选用了AH805升
7、压稳压器,这样就可以将干电池提供的3V电压变压至5V,满足MAX232电路的供电.而3V电压为CC2430模块和J TAG模块提供稳定电压.此外,这里还设计了一个复位电路,通过复位开关可以进行手动复位,复位电路与CC2430的引脚10连接,且低电平有效.整体的ZigBee无线模块硬件设计图如图2所示.图2ZigBee无线数据传输模块整体硬件设计图 在设置串口收发时,设置为串口0位置1,也就是设置串口P0.2、P0.3、P0.4、P0.5分别用做RXD、TXD、CTS、RTS,P0.2、P0.5做接收输入端,P0.3、P0.4为发送输出端.整个CC2430模块与计算机的串行通信过程如下:计算机将
8、RS-232串口数据通过R1IN和R2IN传输到MAX232,由MAX232将RS-232数据转换成TTL数据,再通过R1OUT和R2OUT传送到CC2430;同时,CC2430通过P0.3和P0.4将数据传送给MAX232,由MAX232将TTL数据转换成RS-232数据,再通过T1OUT和T2OUT将数据传送给计算机.3 软件设计 本次软件设计主要分为两部分,一部分是在CC2430上通过异步串行接口向PC机发送数据,另一部分是通过串口接收数据,对数据进行处理后,再将处理后的数据发送给PC机.而串口接收处理并发送数据的程序,主要涉及到对中断服务程序的调用,对接收数据的处理后再发送.这里的串口
9、发送子程序首先是判断数据是否发送完毕,没有发完才继续发送数据,发送数据时先把数据送入串口0的数据收发缓冲器(U0DBUF),CC2430模块的串口通信是只要你不停放数据到U0DBUF就行,当然事先要设置好你所需要的串口,具体的数据发送是由硬件完成,编程的时候不需要考虑这些.因为CC2430的内核是一个51核,所以每次的传输都是一个字节一个字节的,也就是说每次只能一个字母一个字母的发送数据.在这里,发送函数做了个等待中断标志的处理,也就是送一个字节到缓冲器,需要等待中断的产生,当中断产生了,说明U0DBUF里的数据已经被发送出去了,这时才可以继续发送数据,同时在继续发33333卷第4期 吕 鑫,
10、王 忠:ZigBee无线数据传输模块的设计与实现 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/送前还得把中断标志清零.需要指出的是,如果是需要一组数据一组数据的接收或者传送的话,就必须不停的调用函数,直到把整个数组中的数据都传送完之后再停止.在这个发送主程序里,先是调用发送函数发送了一个字符串,之后清除已发送数据,再发送一个字符串,之后进行延时处理,再循环发送数据.串口发送程序的流程图如图3所示:图3 发送子程序和发送主程序的流程图 本次软件设计的另一部分是实现通过
11、串口接收数据并发送数据.这部分程序设计使用的是中断方式来对数据进行接收的,之后对接收到的数据进行处理,这里以“#”为字符串末字节结束符,若接收的字符串长度超过30字节,或接收到结束符时,认为接收到一条命令,停止接收数据,之后,再将这一字符串反向发送给PC机.这段程序先是否接收到数据做判断,这里的数据如果传入是先临时放在所定义的寄存器temp里,因此对temp进行判断,如果非零,就对数据做处理,为零则继续等待数据送入.一旦有数据从串口传送进来,是先送入数据收发缓冲器(U0DBUF)里,当U0DBUF放满后,就会产生中断,进入中断服务子程序.而这段中断服务程序要做的就是把进来的数据先临时放在tem
12、p里,这样才方便后面对数据做进一步地处理.当然由于CC2430的U0DBUF是八位的,因此数据也是一个字符一个字符地进行接收.判断到数据传入后,在主程序里,对数据进行处理,由于“#”号被定义被结束符,所以数据不能为“#”,同时已接收的数据不超过30个字符,这样才存放数据.如果没满足这两个条件,则结束接收,进入发送状态.同时,关闭接收使能位,将接收到的字符串通过串口发送给PC机.发送完成后,清空刚才收到的数据,再恢复到接收数据状态,继续等待数据的传入.该程序的流程图如图4所示.4 结论 在短距离无线通信技术呈现出百家争鸣之势的今天,ZigBee凭借其架构简单、价格低廉、功耗低寿命长等特点,即使传
13、输速率不高,但针对检测与控制领域的应用,仍有很大的发展潜力.随着正式版本协议的公布以及ZigBee技术的进展,更多的注意力和研发力量将转移到应用的设计和实现、市场推广等方面.人们有理由相信:不久将会有越来越多的内置ZigBee功能的装置进入人们的生活,真正实现无所不在的网络,这无疑将极大改善人们的生活方式.433安 徽 师 范 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2010年 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图4 收发数据程序的流程图参考文献:1PATRI
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15、f The IEEE Computer Society,IEEE Standard for Information technology2Telecommunications andinformation exchange between systems2Local and metropolitan area networks Specific requirements2Part 15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low2Rate Wireless Personal
16、 Area Networks(LR-WPANs)M.SmartRF CC2430Preliminary(rev.1.01),2005.6 马忠梅,刘滨,戚军,马岩.单片机C语言Windows环境编程宝典J.北京:北京航空航天大学出版社,2003.6.7 谭浩强.C程序设计(第二版)M.北京:清华大学出版社,1999.8 葛磊蛟,毛一之,李歧,高婧嫱.基于C语言的RS232串行接口通信实现J.河北工业大学学报,2008,(6):11-16.9 李明,王睿,石磊.一种ZigBee无线传感器网络节点的设计J.自动化技术与应用,2008,(1):91-94.Design&Realization of
17、ZigBee Data Transmission ModuleLV Xin,WANG Zhong(School of Electrics Information and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)Abstract:The research aims at realizing wireless transmission data by use of ZigBee.This thesis firstly recommendsZigBee technology in brief,presents a design plan
18、 based on ZigBee wireless data transmission module,designs thehardware system and software system of wireless module,and realizes communication between ZigBee module and hostcomputer.It is proved that the method for transmitting data by use of ZigBee technology is featured with lowconsumption,short time delay,small size,less investment,high security,strong flexibility and etc.Key words:the short2distance wireless communication,ZigBee,CC243053333卷第4期 吕 鑫,王 忠:ZigBee无线数据传输模块的设计与实现